眼動儀地原理

1、實用標準文案眼動儀的原理和眼動實驗法的發(fā)展歷程早在19世紀就有人通過考察人的眼球運動來研究人的心理活動，通過分析 記錄到的眼動數(shù)據(jù)來探討眼動與人的心理活動的關(guān)系。眼動儀的問世為心理學家利用眼動技術(shù)(eye movement technique)探索人在各種不同條件下的視覺信 息加工機制，觀察其與心理活動直接或間接奇妙而有趣的關(guān)系，提供了新的有效工具。眼動技術(shù)先后經(jīng)歷了觀察法，后像法，機械記錄法，光學記錄法，影像記 錄法等多種方法的演變。眼動技術(shù)就是通過對眼動軌跡的記錄從中提取諸如注視 點，注視時間和次數(shù)，眼跳距離，瞳孔大小等數(shù)據(jù)，從而研究個體的內(nèi)在認知過 程。20世紀60年代以來，隨著攝像技術(shù)

2、，紅外技術(shù)(infrared technique) 和微 電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的運用，推動了高精度眼動儀的研發(fā)， 極大地促進了眼動研究在國際心理學及相關(guān)學科中的應用。眼動心理學的研究已經(jīng)成為當代心理學研究的一種有用范型。眼睛是心靈的窗口，透過這個窗口我們可以探究人的許多心理活動的規(guī)律。人類的信息加工在很大程度上依賴于視覺，來自外界的信息約有80 %90 %是通過人的眼睛獲得的。因此對于"人是如何看事物"的科學研究一直沒有間斷 過。關(guān)于這一點，對于眼球運動(以下稱眼動)的研究 被認為是視覺信息加工研究中最有效的手段。研究表明眼動的各種模式一直與人的心理變化相關(guān)

3、聯(lián)。近年來，一些精密地測量眼動規(guī)律的儀器(以下稱眼動儀)相繼問世，為心理學的實驗研究提供了新的有效的工具。這使心理實驗的客觀性，科學性又向前邁進了重要的一步.眼動的早期研究有人認為可以一直追溯到古希臘。但是實際上真正使用儀器設(shè)備對眼動 進行觀察和實驗則是從中世紀才開始的。一. 眼動研究的歷史開端及早期發(fā)展中世紀早期，生理心理學作為一門特殊的實驗科學出現(xiàn)了。當時阿拉伯人改良了觀察儀器，把 數(shù)學和實驗光學同解剖學結(jié)合起來， 發(fā)展了視覺理論。例如， 他們把視知覺理論運用于視錯覺的分析；對動物進行詳細的眼睛解剖學的研究， 以確定各種光折射中眼睛里介質(zhì)的特性，把這些結(jié)果與從眼動的觀察中獲得的結(jié) 果進行比

4、較。許多視覺實驗方法和實驗儀器也被迅速用于心理學研究。女'速示":呈現(xiàn)色輪和視覺后象實驗。這一時期最有代表性的著作是Ibnal Hayt ham的著作 Kitabal Manazir這是第一部生理光學手冊。該書詳細描述了眼睛的 結(jié)構(gòu)和視覺系統(tǒng)的解剖特點，并提出了中心視覺和邊緣視覺的理論。在眼動研究的歷史開端，人類開始意識到眼運動的作用。由于受當時哲學思想的影響，有些研究還存在唯心主義的傾向，研究結(jié)果有許多臆測成分，客觀性和科學性都 受到限制。以上這些局限性到了十九世紀，很快就被新的方法所解決。二. 眼動實驗方法的創(chuàng)新和發(fā)展lbnal Hayt ham發(fā)表著名的生理光學論文到

5、19世紀，關(guān)于眼動的研究一直沉寂了 89個世從紀。直到 Charles Bell和Johannes Mi這兩位現(xiàn)代生理學的奠基人發(fā)表了一系列專論眼動的論ller文才使這一領(lǐng)域重放異彩。這些研究的出發(fā)點是企圖對眼動特征進行精確的分析。首先M i lie發(fā)現(xiàn)了視旋轉(zhuǎn)，即眼球以視軸為中心的中央旋轉(zhuǎn)。后來Hueck對此進行了系統(tǒng)研究。他試圖揭示 頭部轉(zhuǎn)向一側(cè)的運動以補償眼睛在相反方向上的旋轉(zhuǎn)的規(guī)律。Volkman首先嘗試對眼動的速度進行測量。他還驗證了眼睛水平運動比垂直 運動的速度快，單眼運動比雙睛運動得快。在這些研究 中最能表現(xiàn)研究者的創(chuàng) 造精神和聰明才智的就是眼動實驗方法的不斷創(chuàng)新。而且一旦有了一

6、種新的方法，很快就會推出一批新的研究成果。眼動研究領(lǐng)域這種生動的動態(tài)景觀一直 延續(xù)到當代。其中幾種有代表性的眼動實驗方法有：（1）直接觀察法用肉眼直接觀察被試的眼動情況 ，這是一種比較原始的眼動實驗法。實驗 時 在被試的面前放一面鏡子，主試站在被試后面，由鏡子里觀察被試的眼動。 后來又出現(xiàn)了一種窺視孔法，就是在被試閱讀的材料中間穿一個直徑為0176cm 的小圓孔。主試可以通過小孔觀察被試管通達氣鼓，氣鼓與記錄裝置相聯(lián)。當眼動觸動皮囊時，皮囊內(nèi)部壓力發(fā)生變化，從而使氣鼓產(chǎn)生相應變 化，再由記錄裝置將變化記錄下來。（2）后象法利用閃光燈的高亮度閃光產(chǎn)生的視覺后象來研究人的眼動，是一些早期眼動研究常

7、用的方法。實驗時，首先主試用強光使被試產(chǎn)生一個清晰的后象，這個后象可能是一個十字形，直線或小三角形。然后讓被試注視屏幕上的一點，并同時注意觀察后象相對于這個注視點的運動情況。由于后象是穩(wěn)定在中央窩上的，后象靜止的時候就是眼注視的時候；由屏幕上看到的后象運動軌跡就反映了注視的轉(zhuǎn)移情況。已知眼與屏幕之間的距離及后象在屏幕上移動的距 離，就可以粗略地計算出注視時眼動的角度。 觀察法簡便易行，可以在沒有儀器 的情況下使人了解眼動方面的知識。 但它只能對眼動進行比較粗略的研究， 其結(jié) 果不夠精確。因此，這一方法很快就被新的方法所取代。(3) 電流記錄法眼球運動可以產(chǎn)生生物電現(xiàn)象，角膜和網(wǎng)膜間存在一個電位

8、差，角膜對網(wǎng)膜 是帶正電的。當眼 睛注視前方不動時，可以記錄到穩(wěn)定的基準電位。眼睛在水 平方向上運動時，眼睛左側(cè)和右側(cè)的皮 膚之間的電位差會發(fā)生變化 ；在垂直 方向上運動時，則眼睛的上下側(cè)的電位會發(fā)生變化。電位的變化由置于皮膚相 應位置的電極導入放大器 ，由放大器的電流計顯示出來或在示波器上顯示。也 可由記錄器在記錄紙上描記電流變化的波形圖。 這種方法可以記錄到離開注視點 70。的眼動，其精確度為115 ° 2. 0°21212氣動方法 在一個眼鏡架上裝 設(shè)一個小橡皮囊，橡皮囊輕輕靠在眼瞼上。其開口處用橡皮這種方法是通過把 眼睛與記錄測驗裝置用機械傳動方法聯(lián)結(jié)起來實現(xiàn)的。(

9、4) 機械記錄法機械記錄法不會產(chǎn)生不舒適的感覺。實驗時被試可以通過環(huán)狀物中間的圓孔 看閱讀的材料。一個由火棉和玻璃制成的管狀杠桿與鋁質(zhì)記錄指針相聯(lián)接。這個指針對眼動可以作出靈敏的反應，并在記錄紙上記錄下來。眼動的機械記錄法裝 置復雜，調(diào)整起來很麻煩，其實驗結(jié)果的準確性也較低。機械記錄法有三種類型：a. 頭部支點杠桿法 用杠桿來傳遞眼球運動情況。杠桿的支點固定在被試的 頭部，杠桿的光滑一端以輕微壓力接觸已被麻醉過的眼球表面(角膜)。另一端在運動的紙帶(記紋鼓)上記下眼動軌跡模式曲線。利用光學原理直接記錄眼動， 是眼動實驗中歷史最長，研究成果最多的方法。它也是現(xiàn)代眼動儀中最主要的類 型。b. 反光

10、記錄法這個方法首先是將一面小鏡子附著在眼球上。光線射到鏡子上又反射回來。反射光線便隨著眼球的運動而變化，將這一變化記錄在記紋鼓上，就可得到眼動的曲線。采用反光456心23卷理科學第記錄法的關(guān) 鍵問題是如何把鏡子附著在眼球上而又不影響被試的反應。Marx ( 1911 )在實驗中把鏡子粘在光滑的鋁制環(huán)狀物上，再將環(huán)狀物和鏡子一起附著在角膜上。Adler直接把一個直徑3mm 的薄鏡片附著在鞏膜上。Ratliff和Riggs(1950)則讓被試戴上一片接觸鏡片。這是一個弧形小鏡片，類似于現(xiàn)在的隱形 眼鏡。實驗時，把接觸鏡片放置在眼瞼內(nèi)部，扣在角膜上面。接觸鏡片上貼上一 面小鏡子。當被試發(fā)生眼動時，小

11、鏡子也隨之運動，于是反射的光線便可在記紋 鼓或照像底版上記錄下眼動曲線c. 影視法 影視法包括使用普通照像機或電影攝影機，電視攝相機拍攝眼動情況。Dodge和Cline ( 1901)首次使用照像機記錄眼動。他們用照像機拍攝 了一系列眼動照片，通過分析這些照片來了解被試的眼動特點。J udd和Steele 等(1905 )在實驗中對被試的眼睛和面部進行連續(xù)拍攝(每秒鐘拍攝9張照片)。他們先在被試的角膜上用白顏料涂上一個小圓點。實驗時被試將頭放在頭部固定支架上，以防止頭動對眼動的干擾。支架上有兩個小亮球，做為攝影的參 照點。由記錄下參照點與角膜白點之間的相對位置關(guān)系的照片，來分析被試的眼動情況。

12、后來研究者在實驗中使用電影攝影機和攝像機拍攝眼動的全過程情況， 使記錄效果更加精確和完整了。 Shackel ( 1960 )把一架攝像機安裝在被試的頭 頂上，這樣被試可以自由地觀察任何方向的刺激景物。在被試的一只眼睛旁邊貼上電極，用眼電記錄法記錄眼動時的電位變化，并呈示在示波器上。再用第二 架電視攝像機把示波器的光點運動引入放映刺激景物的電視屏幕上。于是屏幕上 既有被觀察的景物，又有代表眼動的光點運動軌跡。(5) 角膜反光法角膜能反射落在它表面上的光，這就是角膜反光。如果整個眼球是個標準的 球體隨圓心自轉(zhuǎn)，反光點是固定不動的。但是角膜是從眼球表面凸出的，因此當眼球運動時光以變 化的角度射到角

13、膜，得到不同方向的反光。這種變化是分 析眼動特征的一種精確變量。Dodge和Cline ( 1901)是較早使用角膜反光法 記錄眼動的人。他們讓平行光照射在人的眼球上，再讓由角膜反射出來的光進入 攝影機，從而拍攝下反射光點運動的軌跡，這就是眼動軌跡。他們曾用這種方 法研究了眼睛的注視，追蹤和閱讀時的運動。后來Johanson和Backlund 把 依據(jù)角膜反光原理制成的眼動儀安裝在被試的頭上。儀器重約0168公斤，被 試不會產(chǎn)生不適的感覺。由于該儀器允許被試在較大視角范圍內(nèi)注視，因此可以用于研究汽車駕駛員和飛行員的眼動間，平均瞳孔直徑等。這些性能在很大范圍 內(nèi)滿足了視覺認知研究的需要。角膜反光

14、法是一種重要的眼動記錄方法。 這種方法最大的優(yōu)點是被試的眼睛 上可以不附加任何裝置，使實驗更加自然。因此，許多眼動研究項目都采用這類 眼動儀。國際上不少生產(chǎn)廠商也大 都用這種原理設(shè)計新的產(chǎn)品。其中最有代表 性的是90年代美國"應用科學實驗室(ASL )"生產(chǎn)的EVM系列眼動儀。這 也是我國心理學研究領(lǐng)域和心理學教學領(lǐng)域從國外引進最早，數(shù)量最多的一種眼動儀，其中EVM3200型眼動儀的性能先進，使用方便，比較適合于心理學 的眼動實驗。21414 EVM3200眼動儀 該儀器是由控制單元，光學頭，場景 攝像機等部分組成的一個儀器系統(tǒng)?？刂茊卧▋x器的主機和計算機，其功能 是對

15、被試的眼動資料進行記錄，計算和數(shù)據(jù)加工處理。光學頭是儀器的輸入端， 包括兩臺攝像機和其它光學部件，它的功能是輸入被試看物體時的眼動信息。場 景攝像機的功能是把被試視野中的圖象輸入主機顯示在場景監(jiān)視器上。 本機使用 方法簡單，可以在被試自然觀察時記錄其眼動資料，如一個特定區(qū)域的注視點數(shù)。三. 從方法的演變歷史中看到的特點第一，一些粗糙的眼動記錄方法逐漸被淘汰。機械記錄法等比較原始的方 法發(fā)現(xiàn)了一些十分重要的眼動現(xiàn)象。在眼動研究的歷史上起到了不容忽視的作 用。但是，由于這些方法自身難以克服的弱點，隨著眼動研究的不斷深入，已逐 漸被淘汰.第二，眼動記錄技術(shù)的原理不斷更新，技術(shù)向多樣化發(fā)展。隨著科學技

16、術(shù) 的發(fā)展，人們一方面將原有的眼動記錄技術(shù)不斷改進，使之更精確，更方便，更 快捷；另一方面，不斷地探索運用新原理的眼動記錄方， 如后來出現(xiàn)的電磁感應 法，鞏膜一虹膜反射法等新型眼動儀。同時一些研究者還盡可能拓寬眼動儀 的功能，使之既可以用于視覺的科學研究，也可用于臨床醫(yī)療診斷。第三，現(xiàn)代高科技手段廣泛用于眼動記錄技術(shù)，眼動儀發(fā)生了革命性的變化。 如EVM3200型眼動儀，使用了攝像技術(shù)，紅外線定位技術(shù)，電子計算機技術(shù)， 數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄的容量大，速度快，精度高。它每秒鐘可記錄50次眼動數(shù)據(jù)，一分鐘記錄3000個數(shù)據(jù)。高科技技術(shù)在眼動儀中的應用，是眼動記錄方法的 一次革命。第四，眼動儀的系統(tǒng)化，系列

17、化設(shè)計。眼動儀在心理學及其它領(lǐng)域的應用， 刺激了許多廠商設(shè)計制造系統(tǒng)化的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品組合了具有各種技術(shù)性能的 豐富的硬件和軟件，使眼動儀能夠適 應各種領(lǐng)域的需要。同時，由于眼動研究 的不同層次，不同水平的要求，生產(chǎn)廠商不斷推出技術(shù)水平不一， 價格呈階梯升 降的產(chǎn)品。如美國ASL公司提供了由簡至繁的十幾種產(chǎn)品。第五，眼動記錄技術(shù)的發(fā)展使眼動實驗更趨生態(tài)化，被試幾乎可以在完全不受儀器干擾的自然情況下接受刺激。過去實驗中對眼睛進行麻醉，并在眼睛上裝 置附加物的方法已被完全淘汰。過去認為不可能進行的許多生態(tài)化要求很高的眼 動實驗現(xiàn)在也可以進行了。眼動儀是繼腦電儀、生理多導儀之后，用于心理學實驗室的大型精密儀器。它在人類的視覺認知研究領(lǐng)域，尤其在閱讀研究中起到 了重要的作用。近年來，我國研究者在中文閱讀和圖形識別的研究中，使用眼動儀也取得令人矚目的成果。眼動儀給心理學研究帶來了新的動力。四. 現(xiàn)代眼動儀現(xiàn)代眼動儀的結(jié)構(gòu)一般包括四個系統(tǒng)，即光學系統(tǒng)，瞳孔中心坐標提取系統(tǒng)， 視景與瞳孔坐標迭加系統(tǒng)和圖像與數(shù)據(jù)的記錄分析系統(tǒng)。眼動有三種基本方式： 注視(fixation)，眼跳(saccades)和追隨運動(pur